基于DOAS烟气在线监测系统的应用研究

陈巧娟

福建龙净环保股份有限公司

1 引言

受工业革命的影响，煤炭厂、火电厂等烟气排放量较大的产业快速发展，废气和烟尘排放污染问题也越来越严重，对人们的身体健康和地球生态环境都会造成极大地危害，为了更好地控制烟气污染就需要更好地了解其特点，不仅仅是做到污染后治理，更重要的是防控污染，减少污染，由末端治理向全过程控制的清洁生产，而当前比较盛行的差分吸收光谱技术(DOAS)自德国兴起后就得到了众多关注，并逐渐成为一种主流大气检测方法，在我国发展至今也取得了一定的成就，目前可以应用在烟气在线监测系统中，通过非接触测量的方式可以监测出烟气中SO2与CO2等气体的浓度，这是因为气体一般以分子形式存在，受到水汽、颗粒物等影响，在紫外或可见光波段产生差分吸收光谱，据此进行分析计算便可得到具体的烟气成分和含量，从而使环保工作者和各工厂能更好地执行国家有关烟气排放方面的规范，还能作为审核评价依据落实环境保护责任。

2 传统烟气监测技术的介绍

2.1 化学分析法

该监测方法分为两类，主要原理是收集烟气进行化学反应，从而可以鉴别烟气中含有那些污染物，一种为重量分析法，主要是针对烟气中的烟尘等颗粒性物质进行测定，监测不够全面，误差率较大，另一种是容量法，操作方便、快速，烟气中污染物含量较高时测量会更准确。

2.2 电化学分析法

该法是上一种技术手段的进化，监测原理为电解反应，最初是通过测定溶液导电能力来测定具有此电化学性质的污染物含量，随着科技的发展，后续又研发了伏安法和阳极溶出法用于测定烟气。

2.3 色谱分析法

该法最早由俄国提出，由于混合物各组分在互不相溶的两相固定相和流动相间具有不同的分配系数,烟气中的各种污染物在流动相和固定相之间进行反复多次的分配,最后会在不定的时间有序流出固定相，从而可以有效分离、分析多组分混合物质。

2.4 红外光谱分析法

傅立叶变换红外光谱技术，科学家们在对传统的仅光栅色散光谱仪进行完善后发展起来这一灵敏度、速度和数据处理效果更好地监测技术，由于样品烟气中不同成分对于特定波长的光吸收特性不同，进而可以得到气体成分的红外光谱信息，分析污染物的浓度信息，但该法成本较高，适用条件有限，主要是对一些化合物进行定性分析和结构分析。同样基于红外光谱分析原理的还有FITR 技术，相对而言具有更明显地优势,可以对多种成分同时进行测量，利用效率高。

3 DOAS烟气在线监测发展历程

国家在大力发展经济的同时，烟气监测工作却一直面临着设备品种、数量、性能、质量不足的问题，以往由于很多烟气监测仪器设备技术含量低,功能单一,烟气监测结果不够准确可靠，为了改善我国烟气监测工作的窘迫局面，在烟气监测装置和系统的发展过程中综合利用了多学科知识，逐渐实现了智能化、自动化、技术化改进，从人工采样和实验室分析转向遥感结合，从单一层面向全方位领域转变，监测质量更高，虽然很多传统的烟气监测方法应用也较为普遍，但随着国家技术水平的发展，加之坚持走可持续化发展道路的需要，为了满足我国对于烟气监测的更高要求，该行业从业人员和学者从监测范围、灵敏度、操作方式、适用条件等方面对烟气监测设备和系统进行了改进，例如现今的DOAS烟气监测系统可以进行实时在线检测,采样、预处理过程简单,对于不同浓度的烟气也能实现高灵敏度监测，用一个仪器也可区别多成分混合物中的不同物质，实现同时定量监测分析,也可对混合物中指定化合物进行定点监测。

4 DOAS烟气在线监测系统应用介绍

4.1 应用原理

该系统主要由光源发射器、光谱仪、探测系统、接收系统和计算机网络系统组成，每种物质对于光都具有独特吸收特性,因此可利用高压氙灯提供一个光源,从光源发出的光经过烟气时,光线会被选择性吸收后再被接收，通过光谱仪利用光栅将接收到的光分成窄带光谱,经扫描后以转化为电信号进入分析仪器,通过计算机等控制系统进行分析和计算。由于分子吸收引起的光谱变化被分离出来后可以测量被吸收的电磁波的频率或波长和强度，进而得到被测物质的特征波谱,也叫作光谱指纹，虽然烟气中的污染物分子结构可能会相似，但这个光谱指纹却独一无二，而利用DOAS不仅可以进行结构特征的定性分析，还能同时得到烟气中多种有害气体的颗粒粒度和浓度，正是这种有别于传统监测技术手段的优势使其在烟气排放监测领域得到了广泛地应用。

4.2 应用优势

该技术最早是用来监测大气质量的,由于光程较长可以很好地监测痕量气体,而很多工厂通过烟道排放出来的烟气浓度较高，烟气中颗粒的消光、紊乱性等都很强，正好适用于差分吸收光谱技术进行监测分析，在实际应用该监测系统时主要有以下几大优势：实时监测，利用一台仪器便可对监测对象进行连续性、快速性的在线监测，虽然从紫外到近红外波长区间内所有烟气含物都可以被DOAS 探测到，但一般实际应用是会针对SO2、NO等特殊化合物进行定点监测，因此可以根据待测气体控制测量时的波长范围，这样可以确定被监测物质之间的化学反应,保证测量的精度；无采样测量，由于不需要采样操作，烟气直接被测量、分析,不会因为采集装置出现吸收损失、化学反应误差，抗干扰性较强，可以很好地避免一些误差源的影响，测量系统可以直接测量从光源到接收器之间光程上的污染气体的总吸收量，得到的光程上污染物的平均浓度相比传统方式更具说服力和参考性；监测全面，能够揭示某些未知污染物的存在,鉴于每种气体物质的独特光谱特征，通过对残留光谱进行分析可以发现未知的被吸收气体；应用投入较低，这种测量技术参考光谱标准，不需额外校准，运转成本较低，此外日常维修较为方便，最大的消耗品为灯源，维护成本也较低。

5 基于DOAS烟气在线监测系统的应用方案

5.1 构建系统整体

长光程测量系统、监测仪、硬件控制、计算机控制系统，测量部分可以监测五项大气基本气象条件，烟气中危害气体的浓度，颗粒物浓度，各种数据采集后经过一定的通讯方式传输到计算机进行处理、分析。

5.2 测量气体

气体的吸收强度随波长变化，只有吸收强度大于DOAS系统探测极限的气体才能被探测仪器接收到，一般可以探测到2～10种痕量气体的吸收，种类取决于被观测的波长区间以及被探测大气中痕量气体成分。

5.3 数据处理过程

需要进行分离处理得到存在于发射器和接收器之间的所有气体的差分吸收光谱，这需要根据算式求解，将它们相互重叠的吸收结构进行数字化的分离，一般采用线性最小二乘法拟合，分成实际测量光谱和参考光谱两步进行，参考光谱的线性组合建立大气光谱模型，结合大气采样光谱进行计算，在计算机中存储越多种气体的参考光谱，求解的气体浓度越准确。

波长定标和吸收截面的处理：定标的过程是将波长准确对应到相应的像素点上，由于汞灯标准谱线是原子光谱，吸收峰位置明确，利用定标仪器和汞灯可得到相应的整条光谱，最大值的吸收峰位置与右侧第一个小峰处位置可确定出像素一波长的对应校正线，从而可以推断其他像素点处对应的波长值。

气体吸收截面的处理:实验室测得的吸收截面的分辨率一般会高于实际测量的DOAS仪器分辨率，为了在不改变面积的情况下获得DOAS仪器测得的实际的吸收面，须将其与仪器函数进行卷积，采取面积归一的方法，降低吸收截面分辨率，获得宽带和窄带两部分分解截面。

光谱处理：分为氨灯背景光谱和含有痕量气体的吸收信息的采样光谱，二者分别取对数的差值可得到信号光谱即光学厚度，据此可推出慢变化曲线、慢变化后的比值光谱，然后进行反演计算，处理因光谱的漂移、拉伸或压缩导致的测量光谱与参考光谱波长不匹配问题。

最小乘拟合方法：与最初DOAS 技术的两点和四点差分相比，该法最适用于寻找测量波段内气体的差分吸收截面，可以将需监测的气体截面放大得到更清楚的测量差分信号，了解清楚这种组合关系，减小测量误差，还可以同时反演多种被测气体的浓度，提高了仪器的效率。

5.4 实际应用举例

以当前能耗较高的钢铁行业为例，在其生产的各个流程和环节由于燃料燃烧产生的大气污染十分严重，需要对大量直接或间接地烟气排放进行监测，以便进行环保处理，因此很多工厂都逐步将DOAS 技术与CEM S 结合，将烟道作为一个开放的吸收池,对气流进行实时的直接测量,正常工作状态下，烟气通过穿管在管内形成测量区,入射光经测量区、样品池得到透射光后会聚成点耦合到光纤光谱仪入口狭缝端,光谱仪对透射光分光后成为光谱强度信号,然后转换为电信号经由计算机进行烟气成分分析和浓度计算，而校准状态时，测量区内烟气被吹散，样品池内为已知浓度的标准气体，据此可以对比正常状态下的系统监测结果准确度，从而实现工厂自身和环境检测机构对烟气污染成分、浓度、流速等内容的在线实时监测。

6 结语

综上所述，烟气成分复杂，各种污染成分对人类和社会危害极大，其中的SO2可诱发呼吸系统和皮肤类疾病，还会引起多种慢性疾病，硫酸雨会破坏土壤性能，影响绿植和农作物生长，NO2会使水体富营养化，烟气中的颗粒物质会使得雾霾问题愈发严重，为了有效解决和避免情况恶化，还人们一个美丽家园，建设新型绿色环保社会，需要大力平衡工业发展与环境保护之间的关系，为此在传统的烟气监测技术无法满足现今社会发展水平的基础上，经过很多学者和科研人员的不断努力，各种先进的监测系统在不断兴起并逐渐完善，功能上的进步使得监测结果也更为稳定可靠，更有利于推动我国的可持续化发展。